Токовый датчик – Датчик тока и напряжения на эффеке холла

Содержание

Датчик тока и напряжения на эффеке холла

Содержание:
  1. Классификация датчиков
  2. Современные датчики тока
  3. Преимущества датчиков тока в современных схемах

Для того чтобы успешно автоматизировать различные технологические процессы, эффективно управлять приборами, устройствами, машинами и механизмами, нужно постоянно измерять и контролировать множество параметров и физических величин. Поэтому неотъемлемой частью автоматических систем стали датчики, обеспечивающие получение информации о состоянии контролируемых устройств.

По своей сути каждый датчик является составной частью регулирующих, сигнальных, измерительных и управляющих приборов. С его помощью преобразуется та или иная контролируемая величина в определенный тип сигнала, позволяющий измерять, обрабатывать, регистрировать, передавать и хранить полученную информацию. В некоторых случаях датчик может оказывать воздействие на подконтрольные процессы. Всеми этими качествами в полной мере обладает датчик тока, используемый во многих устройства и микросхемах. Он преобразует воздействие электрического тока в сигналы, удобные для дальнейшего использования.

Классификация датчиков

Датчики, применяемые в различных устройствах, классифицируются в соответствии с определенными признаками. По возможности измерений входных величин, они могут быть: электрическими, пневматическими, датчиками скорости, механических перемещений, давления, ускорения, усилия, температур и других параметров. Среди них измерение электрических и магнитных величин занимает примерно 4%.

Каждый датчик преобразует входную величину в какой-либо выходной параметр. В зависимости от этого, контрольные устройства могут быть неэлектрическими и электрическими.

Среди последних чаще всего встречаются:

  • Датчики постоянного тока
  • Датчики амплитуды переменного тока
  • Датчики сопротивления и другие аналогичные приборы.

Основным достоинством электрических датчиков является возможность передачи информации на определенные расстояния с высокой скоростью. Применение цифрового кода обеспечивает высокую точность, быстродействие и повышенную чувствительность измерительных приборов.

Принцип действия

По принципу работы все датчики разделяются на два основных вида. Они могут быть генераторными – непосредственно преобразующими входные величины в электрический сигнал. К параметрическим датчикам относятся устройства, преобразующие входные величины в измененные электрические параметры самого датчика. Кроме того, они могут быть реостатными, омическими, фотоэлектрическими или оптико-электронными, емкостными, индуктивными и т.д.

К работе всех датчиков предъявляются определенные требования. В каждом устройстве входная и выходная величина должны находиться в непосредственной зависимости между собой. Все характеристики должны быть стабильными во времени. Как правило эти приборы отличаются высокой чувствительностью, небольшими размерами и массой. Они могут работать в самых разных условиях и устанавливаться различными способами.

Современные датчики тока

Датчиками тока являются устройства, с помощью которых определяется сила постоянного или переменного тока в электрических цепях. В их конструкцию входят магнитопровод с зазором и компенсационной обмоткой, датчик Холла, а также электронная плата, выполняющая обработку электрических сигналов. Основным чувствительным элементом служит датчик Холла, закрепляемый в зазоре магнитопровода и соединяемый со входом усилителя.

Принцип действия в целом одинаковый для всех подобных устройств. Под действием измеряемого тока возникает магнитное поле, затем, с помощью датчика Холла осуществляется выработка соответствующего напряжения. Далее это напряжение усиливается на выходе и подается на выходную обмотку.

Основные виды датчиков тока:

Датчики прямого усиления (O/L). Обладают небольшими размерами и массой, низким энергопотреблением. Диапазон преобразований сигналов существенно расширен. Позволяет избежать потерь в первичной цепи. Работа устройства базируется на магнитном поле, которое создает первичный ток Ip. Далее происходит концентрация магнитного поля в магнитной цепи и его дальнейшее преобразование элементом Холла в воздушном зазоре. Сигнал, полученный с элемента Холла усиливается и на выходе образуется пропорциональная копия первичного тока.

Датчики тока (Eta). Характеризуются широким диапазоном частот и расширенным диапазоном преобразований. Преимуществами данных устройств является низкое энергопотребление и незначительное время задержки. Работа устройства поддерживается однополярным питанием от 0 до +5 вольт. Действие прибора основано на комбинированной технологии, в которой используется компенсационный тип и прямое усиление. Это способствует существенному улучшению характеристик датчика и более сбалансированному функционированию.

Датчики тока компенсационные (C/L). Отличаются широким диапазоном частот, высокой точностью и малым временем задержки. У приборов этого типа отсутствуют потери первичного сигнала, у них отличные характеристики линейности и низкий температурный дрейф. Компенсация магнитного поля, создаваемого первичным током Ip, происходит за счет такого же поля, образующегося во вторичной обмотке. Генерация вторичного компенсирующего тока осуществляется элементом Холла и электроникой самого датчика. В конечном итоге, вторичный ток представляет собой пропорциональную копию первичного тока.

Датчики тока компенсационные (тип С). Несомненными достоинствами этих приборов является широкий диапазон частот, высокая точность информации, отличная линейность и сниженный температурный дрейф. Кроме того, данные приборы могут измерять дифференциальные токи (CD). Они обладают высокими уровнями изоляции и пониженным влиянием на первичный сигнал. Конструкция состоит из двух тороидальных магнитопроводов и двух вторичных обмоток. В основе работы датчиков лежит компенсация ампер-витков. Ток с небольшим значением из первичной цепи проходит через первичный резистор и первичную обмотку.

Датчики тока PRIME. Для преобразования переменного тока используется широкий динамический диапазон. Прибор отличается хорошей линейностью, незначительными температурными потерями и отсутствием магнитного насыщения. Преимуществом конструкции являются небольшие габариты и вес, высокая устойчивость к различным видам перегрузок. Точность показаний не зависит от того как в отверстии расположен кабель и не подвержена влиянию внешних полей. В этом датчике используется не традиционная разомкнутая катушка, а измерительная головка с сенсорными печатными платами. Каждая плата состоит из двух раздельных катушек с воздушными сердечниками. Все они смонтированы на единую базовую печатную плату. Из сенсорных плат формируются два концентрических контура, на выходах которых суммируется наведенное напряжение. В результате, получается информация о параметрах амплитуды и фазы измеряемого тока.

Датчики тока (тип IT). Характеризуются высокой точностью показаний, широким частотным диапазоном, низким шумом выходного сигнала, высокой стабильностью температуры и низким перекрестным искажением. В конструкции этих датчиков отсутствуют элементы Холла. Первичный ток создает магнитное поле, которое в дальнейшем компенсируется вторичным током. На выходе вторичный ток представляет собой пропорциональную копию первичного тока.

Преимущества датчиков тока в современных схемах

Микросхемы на основе датчиков тока играют большую роль в сохранении энергии. Этому способствует низкое питание и энергопотребление. В интегральных схемах происходит объединение всех необходимых электронных компонентов. Характеристики приборов значительно улучшаются, благодаря совместной работе сенсоров магнитного поля и всей остальной активной электроники.

Современные датчики тока способствуют дальнейшему уменьшению размеров, поскольку вся электроника интегрирована в единственный общий чип. Это привело к новым инновационным компактным дизайнерским решениям, в том числе касающимся и первичной шины. Каждый новый датчик тока обладает повышенной изоляцией и успешно взаимодействует с другими видами электронных компонентов.

Новейшие конструкции датчиков позволяют монтировать их в существующие установки без отключения первичного проводника. Они состоят из двух частей и являются разъемными, что позволяет легко устанавливать эти детали на первичный проводник без каких-либо отключений.

На каждый датчик имеется техническая документация, где отражается вся необходимая информация, позволяющая произвести предварительные расчеты и определить место наиболее оптимального использования.

electric-220.ru

принцип действия и сфера применения

Многие устройства, работающие в электрических цепях, требуют проведений точных измерений в режиме реального времени. От точности этих замеров зависит многое: качество процессов регулирования в схемах управления, надежная работа защиты, калькуляция при подсчете потребляемой мощности в электроустановках и т.д. Обычно для таких измерений используют специальные приборы, которые входят в состав основной схемы. К примеру, датчик тока широко используется при работе многих устройств. Он может быть реализован на самых разных элементах, в зависимости от того или иного схемного решения. Остается неизменным только сам принцип его работы – в соответствии с заложенным в него коэффициентом он преобразует сигнал с измерительного трансформатора или иного устройства в сигнал напряжения, который согласован с остальной частью схемы.

Различают датчик тока, который разработан для работы в цепях переменного и, соответственно, постоянного напряжения. В качестве примера можно рассмотреть работу каждого из них. Для переменного напряжения в качестве измерительного элемента обычно используется трансформатор тока. Это бесконтактный прибор, который следит за состоянием контролируемой силовой цепи. Сигнал с него и поступает в датчик тока, цель которого — масштабировать полученный сигнал со схемой управления.

Несколько иначе обстоит дело, если мы имеем дело с постоянным или медленно меняющимся во времени параметром. Вышеописанный трансформатор в такой схеме работать не будет, так как на его выходе мы сможем получить только динамику измеряемого параметра. Обычно в таких схемах используется специальный шунт, с

повышенным по отношению к остальной части электрической цепи сопротивлением. Он монтируется непосредственно в линию. В этом случае снимается падение напряжение на этом участке, которое и будет отдаваться в датчик постоянного тока. Так как входные цепи в такой схеме находятся под высоким потенциалом, то такой датчик выполняет сразу несколько функций. Он гальванически разделяет силовую и измерительные цепи и одновременно масштабирует полученный сигнал.Типовая схема, по которой работает такой датчик тока, состоит из генератора импульсов высокой частоты, разделительного ключа и трансформатора. Поступающий измерительный сигнал преобразуется с помощью генератора и разделительного ключа, собранного обычно на полевом транзисторе. Переменное напряжение, преобразованное таким образом, передается в разделительный трансформатор. После этого оно фильтруется и усиливается в зависимости от коэффициента, заложенного при проектировании.

Несколько иной принцип работы заложен в так называемый датчик тока Холла. Он измеряет напряженность магнитного поля, которое возникает по причине протекания тока в проводнике, и преобразует его в выходной сигнал по напряжению. Особенностью его работы является то, что он универсален и способен нормально функционировать в любых цепях. Такие датчики компактны и обладают хорошими эксплуатационными характеристиками.

fb.ru

Датчики тока — применение

Датчики тока и напряжения позволяют решить все проблемы в области силовой электроники, связанные с созданием систем обратной связи в электрооборудовании, а также при измерении и контроле постоянного, переменного, импульсного напряжения и тока в широких пределах с высокой точностью. Эти устройства обеспечивают точную, изолированную ОС в системах управления приводами постоянного и переменного тока, в преобразовательной технике.

Датчики дифференциального тока (тока утечки) позволяют измерять разностный ток в прямом и обратном проводнике, передавая , таки образом, измерительному устройству сигнал, пропорциональный току утечки или передаваемый по протоколу обмена. Современные датчики работают как на постоянном, так и на переменном токе.

Когда-то давно, во времена, которые сейчас вспоминаются с большим трудом, датчики тока и напряжения было принято делить по исполнениям — на промышленное (стандартное) и транспортное. В последние годы, при резком улучшении качества компонентной базы, заливочных компаундов, пластика, из которого изготавливаются корпуса, это деление является весьма и весьма условным. Пожалуй, наиболее правильным ответом, чем же отличается транспортный датчик от промышленного, будет следующий — датчик, применяемый на транспорте (подвижном составе), должен соответствовать стандарту EN50155, а промышленный — стандарту EN50178. В ряде случаев отличие одной модели от другой заключается только в выборе стандарта, по которому аттестовали конкретное изделие, и, соответственно, наличие и объем испытаний, описанных в стандарте. Существует мнение, что, залив компаундом промышленный датчик и проведя испытания в соответствии со стандартом, можно в результате получить устройство транспортного применения.

Ныне трудно найти электронные компоненты, имеющие пониженную рабочую температуру хуже -25С, величина -40С стала стандартом даже для индустриальных применений, учитывая, что, например, в России половина территории расположена в местах, где температура в -30 воспринимается как совершенно нормальная. Но даже в таких условиях некоторые производители идут на дополнительные затраты и ухищрения для обеспечения работоспособности и соответствия параметров датчиков при пониженной температуре вплоть до -55С. Для этого применяется отбор датчиков Холла, операционные усилители так называемых «военных» серий (с пониженной рабочей температурой -55С), заливочные компаунды с температурой стеклования -60С и ниже. Обеспечение повышенной рабочей температуры вплоть до +85С оказывается существенно более простой задачей, как правило, устройство, соответствующее требованиям технического паспорта при -55С, работает при повышенной температуре без проблем.

Какие параметры нужно учитывать при выборе датчиков тока

Выбор датчиков связан как с техническими, так и с экономическими предпосылками. Поэтому должны быть приняты во внимание все аспекты их применения.

Среди технических параметров особое внимание нужно уделить следующим:

  • Электрические воздействия
  • Механические воздействия
  • Температурные воздействия
  • Условия эксплуатации

На практике часто возникают комбинации нескольких факторов, которые должны оцениваться в совокупности для выбора наиболее подходящих вариантов датчиков.

При более сложных условиях применения датчика необходимо учесть такие факторы, как:

  • Внешние магнитные воздействия    
  • Электромагнитные помехи
  • Крутизна фронта импульсов
  • Специальные требования по электрической прочности
  • Совместимость с существующими стандартами
  • Другие.

В случае затруднений в выборе типа датчика проконсультируйтесь с нашими специалистами, они предложат Вам датчик, полностью соответствующий специфике применения.

ldtn.ru

Датчики тока  Резисторные датчики тока в схемах на МК

 

в практике измерения тока существует стандартный приём — включить последовательно в испытываемую цепь низкоомный резистор и замерить на нём падение напряжения. Если разделить напряжение (б^изм) сопротивление (/?изм)’ ^^ по закону Ома получится искомый ток (/изм)- Резистор должен быть низкоомным и высокоточным, чтобы не вносить дополнительные потери мощности в нагрузке и не ухудшать инструментальную погрешность измерений.

Математические расчёты формулы тока можно поручить МК. В его программе будет фигурировать напряжение, измеренное на образцовом резисторе через встроенный АЦП. Сопротивление резистора априори известно, поэтому остаётся лишь правильно выбрать схему сопряжения его с МК (Рис. 3.71, а…с).

Рис. 3.71. Схемы подключения резисторных датчиков тока к МК (начало):

а)        сигнал отдатчика /?изм масштабируется усилителем DAL1 v\ буферизируется повторителем DA1.2. Резистор /?2 регулирует коэффициент усиления ОУ, а значит и чувствительность датчика. Повторитель сигнала DA 1.2 во многих случаях может отсутствовать;

б)        делитель на резисторах /?/, R2 ослабляет сигнал с датчика /?изм примерно в 10 раз. Конденсатор С J снижает ВЧ-помехи.,Сопротивление резистора R2 выбирается по даташиту МК (в данном случае для AVR-контроллеров) сточки зрения оптимального режима работы АЦП. Резисторы RJ, /?изм ^^ сумме должны иметь сопротивление на порядок больше, чем резистор R2;

в)        резистором R3 регулируется чувствительность датчика тока, выполненного на мощном проволочном резисторе /?изм- Цепочка R4, С J снижает помехи и защищает МК от всплесков напряжения;

г)        пример симметричного подключения измерительной цепи к МК при помощи одинаковых резисторов /?/, R2. Диоды VDJ, VD2 ограничивают входной сигнал по амплитуде. Измерение разности напряжений проводится двухканальным АЦП МК в дифференциальном режиме;

 

 

Рис, 3.71. Схемы подключения резисторных датчиков тока к МК {продолжение):

д) транзистор VT1 открывается при определённом токе, протекающем через резистор /?изм’ после чего на входе М К формируется ВЫСОКИЙ уровень. Если напряжение в измеряемой цепи не превышает +5 В, то ограничительный резистор R2 можно заменить перемычкой;

е) датчик превышения тока через резистор /?изм с индикатором на светодиоде НИ\

ж)  МК проверяет, работает ли в данный момент двигатель Л//, по наличию напряжения на низкоомном резисторе RL Схема имеет нижний порог, определяемый напряжением (/^э УТ1\

з)  через двигатель Ml протекают импульсы тока, которые периодически открывают транзистор VT1. Благодаря большой ёмкости конденсатора С2, на входе МК поддерживается НИЗКИЙ уровень, который переходит в ВЫСОКИЙ уровень при остановке двигателя;

и)  двухполярный датчик тока. Транзистор VTL1 работает как диод, VTL2 — как ключ. Оба транзистора входят в одну сборку и имеют идентичные параметры, отсюда высокая температурная стабильность. Необязательные диоды VD1, КШ защищают транзисторы от перегрузок;

 

Рис. 3.71. Схемы подключения резисторных датчиков тока к МК {продолжение): к) симметричный съём информации с датчика тока /?изм- Напряжение может подаваться с одноимённого вывода МК. Резистор /?J служит для начальной калибровки показаний;

л) напряжение на входе МК пропорционально току в измеряемой цепи с коэффициентом «1 В/1 А». Напряжение питания на выводе 8 микросхемы D/1/должно быть+5…+30 В;

м) DAI — это усилитель слабого сигнала с регулировкой чувствительности резистором R4. Резисторы /?/, /?2 должны быть одинаковыми по сопротивлению;

н) резистором R2 устанавливается порог срабатывания датчика тока. Стабилитрон VDI защищает компаратор DA1 от всплесков напряжения;

о) сигнальная и защитная «земли» электрически соединяются длинными проводами, поэтому во входные цепи усилителя ?14 / вводятся фильтрующие конденсаторы C/…CJ. К сигнальной «земле» подключается МК, к защитной — резистор /?изм’ ®

 

Рис. 3.71. Схемы подключения резисторных датчиков токак МК. {окончание): п) микросхема DA J (фирма Zetex Semiconductors) позволяет измерять абсолютную величину тока (вывод ЮиТ) и его направление (вывод FLAG). Напряжение в измеряемой цепи на любом из выводов резистора /?изм относительно общего провода МК не должно превышать +20 В;

р) измерение тока при помощи специализированной микросхемы DA! фирмы Texas Instruments. Напряжение в измеряемой цепи относительно общего провода МК не должно превышать +36 В. Сопротивление резистора /?изм выбирается так, чтобы на нём при полной токовой нагрузке падало напряжение 50… 100 мВ. Замена микросхемы DA1 — INA193, INAt95, при этом надо подкорректировать коэффициент преобразования в управляющей программе МК;

с) измерение тока при помощи инструментального усилителя DA1 фирмы Analog Devices. Конденсаторы С1…СЗ устраняют высокочастотные помехи и совместно с резисторами R1, R2 симметрируют схему.

nauchebe.net

Датчик тока (Troyka-модуль) [Амперка / Вики]

Используйте датчик тока (Troyka-модуль) для контроля потребления тока, фиксируйте блокировку моторов или аварийное обесточивание системы.

Работа с высоким напряжением опасна для здоровья!

Касание винтов контактных колодок и их выводов может привести к поражению электрическим током. Не прикасайтесь к плате, если она подключена к бытовой сети. Для готового устройства используйте изолированный корпус.

Если вы не знаете как подключить датчик к электроприбору, работающему от общей сети 220 В или у вас есть сомнения — остановитесь: вы можете устроить пожар или убить себя.

Вы должны чётко понимать принцип работы устройства и опасности работы с высоким напряжением.

Видеообзор

Подключение и настройка

Датчик общается с управляющей электроникой по трём проводам. На выходе сенсора — аналоговый сигнал. При подключении к Arduino или Iskra JS удобно использовать Troyka Shield, а для тех кто хочет избавится от проводов подойдёт Troyka Slot Shield. Для примера подключим шлейф от модуля к группе контактов Troyka Shield, относящихся к аналоговому пину A0. В своём проекте вы можете использовать любые аналоговые пины.

Примеры работы

Для облегчения работы с датчиком мы написали библиотеку TroykaCurrent, которая переводит значения аналогового выхода датчика в миллиамперы. Скачайте и установите её для повторения описанных ниже экспериментов.

Измерение постоянного тока

Для измерения постоянного тока подключим сенсор в разрыв цепи между светодиодной лентой и питанием. Выведем в Serial-порт текущее значение постоянного тока в миллиамперах.

CurrentDC.ino
// библиотека для работы с датчиком тока (Troyka-модуль)
#include <TroykaCurrent.h>
 
// создаём объект для работы с датчиком тока
// и передаём ему номер пина выходного сигнала
ACS712 sensorCurrent(A0);
 
void setup() 
{
  // открываем последовательный порт
  Serial.begin(9600);
}
 
void loop() 
{
  // вывод показателей сенсора для постоянного тока
  Serial.print("Current is ");
  Serial.print(sensorCurrent.readCurrentDC());
  Serial.println(" mA");
  delay(100);
}

Измерение переменного тока

Для измерения переменного тока подключим датчик в разрыв цепи между источником переменного напряжения и нагрузкой. Выведем в Serial-порт текущее значение переменного тока в миллиамперах.

CurrentAC.ino
// библиотека для работы с датчиком тока (Troyka-модуль)
#include <TroykaCurrent.h>
 
// создаём объект для работы с датчиком тока
// и передаём ему номер пина выходного сигнала
ACS712 sensorCurrent(A0);
 
void setup() 
{
  // открываем последовательный порт
  Serial.begin(9600);
}
 
void loop() 
{
  // вывод показателей сенсора для постоянного тока
  Serial.print("Current is ");
  Serial.print(sensorCurrent.readCurrentAC());
  Serial.println(" mA");
  delay(100);
}

Элементы платы

Датчик ACS712ELCTR-05B

Датчик тока ACS712ELCTR-05B основан на эффекте Холла, суть которого в следующем: если проводник с током помещён в магнитное поле, на его краях возникает ЭДС, направленная перпендикулярно к направлению тока и направлению магнитного поля.
Микросхема конструктивно состоит из датчика Холла и медного проводника. Протекающий через медный проводник ток создает магнитное поле, которое воспринимается элементом Холла. Магнитное поле линейно зависит от силы тока.

Уровень выходного напряжения сенсора пропорционально зависит от измеряемого тока. Диапазон измерения от −5 А до 5 A. Чувствительность — 185 мВ/А. При отсутствии тока выходное напряжение будет равняться половине напряжения питания.

Нагрузка

Датчик тока подключается к нагрузке в разрыв цепи через колодки под винт. Для измерения постоянного тока подключайте сенсор, учитывая направления тока, иначе получите значения с обратным знаком. Для переменного тока — полярность значения не имеет.

Контакты подключения трёхпроводного шлейфа

Модуль подключается к управляющей электронике по трём проводам.
Назначение контактов трёхпроводного шлейфа:

  • Питание (V) — красный провод. Исходя из документации питание датчика 5 вольт. В результате теста модуль работает и от 3,3 вольт.

  • Земля (G) — чёрный провод. Должен быть соединён с землёй микроконтроллера;

  • Сигнальный (S) — жёлтый провод. Подключается к аналоговому входу микроконтроллера. Через него управляющая плата считывает сигнал с датчика.

Принципиальная и монтажная схемы

Характеристики

  • Напряжение питания: 5 В

  • Потребляемый ток: 10 мА

  • Измеряемый ток: переменный и постоянный

  • Диапазон измеряемого тока: −5…+5 A

  • Чувствительность: 185 мВ/А

  • Гальваническая развязка, пробивное напряжение: 2,1 кВ

  • Рабочий диапазон температур: −40…+85 °C

  • Габариты: 25×25 мм

Ресурсы

wiki.amperka.ru

10. Современные промышленные датчики тока.

Современная
практика и научные исследования требуют
измерений больших токов — до 12
МА. Токи при этом могут быть постоянными,
переменными, и импульсными с длительностью
импульсов от долей микросекунд до
нескольких десятков миллисекунд.
Измерение больших постоянных токов —
до 200500
кА широко используется в устройствах
электролиза алюминия. Большие переменные
токи — до 150200
кА имеют место в мощных дуговых
электропечах. В термоядерных установках
токи достигают сотен килоампер [9].

В ряде случаев
необходимо проводить измерения при
сверхнизких и высоких температурах,
например, в криотурбогенераторах или
криомодулях высокоскоростных транспортных
средств на магнитной подушке, при
исследовании плазменных и термоядерных
источников энергии.

Достоверное
измерение токов в энергетическом и
управляющем оборудовании является
важным аспектом обеспечения высокой
надёжности и безопасности промышленных
систем и электронных приборов.
Специализированные датчики также
применяются для определения разбаланса
токов, мониторинга и диагностики цепей,
запуска схем защиты, обнаружения отказов
электрооборудования и аварийных
состояний различных типов нагрузки
[9].

Существует множество
методов измерения тока, однако в
промышленности наиболее широко
применяются четыре: резистивный,
магнитооптический, на основе эффекта
Холла и трансформатора тока; последний
может быть использован только в цепях
переменного тока. Датчики тока,
реализованные на базе указанных методов,
имеют свои достоинства и недостатки,
определяющие области их применения.

Рассмотрим
конструкцию каждого датчика [9].

11. Резистивные датчики.

Резистивные датчики
– самые дешёвые, линейные и точные.
Однако им присущи потери, вносимые в
цепь измерения, отсутствие гальванической
развязки, ограничение полосы пропускания,
обусловленное паразитной индуктивностью
большинства мощных резисторов, а также
саморазогрев и термо ЭДС при больших
токах, снижающие точность измерения.

Низкоиндуктивные
измерительные резисторы существенно
дороже, но могут быть использованы для
измерения токов в диапазоне частот до
нескольких мегагерц. Для усиления или
обработки напряжения, выделяющегося
на токочувствительном резисторе,
необходим дифференциальный усилитель
или компаратор, обладающий достаточным
КОСС, особенно вблизи питающих напряжений
[9].

12. Датчики Холла.

Первые промышленные
датчики на основе эффекта, открытого в
1897 г.

американским
физиком Эдвином Холлом (Edwin H. Hall,
1855–1938), были разработаны в конце 1960х.
Однако широкое использование интегральных
и гибридных датчиков тока на основе
эффекта Холла долгое время сдерживалось
их высокой стоимостью. К началу 1990_х
были разработаны новые технологии,
позволившие значительно снизить
себестоимость производства самих ячеек
Холла и интегральных схем на их основе.
Это

обусловило
бурный рост предложения промышленных
датчиков тока и других магниточувствительных
полупроводниковых приборов [9].

Рис. 12. Возникновение
ЭДС Холла (VH)

Эффект Холла
заключается в появлении напряжения на
концах полоски проводника или
полупроводника, помещённого перпендикулярно
силовым линиям магнитного поля (рис.
12). Для меди напряжение Холла составляет
24 мкВ/кГс, для полупроводника – свыше
±110 мВ/кГс (с учётом направлений магнитного
поля и тока), что вполне достаточно для
построения промышленных датчиков тока,
главными преимуществами которых является
отсутствие вносимых потерь и «естественная»
гальваническая развязка. В линейных
датчиках Холла выходное напряжение
пропорционально приложенному магнитному
полю, за исключением режимов симметричного
насыщения. По сравнению с резистивными
датчиками тока, приборы на основе ячейки
Холла имеют более узкий частотный
диапазон, паразитное напряжение смещения
(в некоторых конструкциях), низкую
точность, высокую стоимость и требуют
для работы внешний источник питания
[9].

На рис. 13 и 14
схематически представлены две основные
разновидности датчиков тока на основе
эффекта Холла – разомкнутого и замкнутого

типов
соответственно, где I
primary –
ток в первичной цепи, I
secondary –
ток во вторичной цепи, Vout
– выходное напряжение усилителя,
пропорциональное току в первичной цепи.
Датчики замкнутого типа (с компенсирующей
обмоткой) обеспечивают высокую точность,
в несколько раз более широкую полосу
пропускания и, как правило, не имеют
выходного

смещения
при нулевом токе. Их чувствительность
прямо пропорциональная числу витков
компенсирующей обмотки. Однако по
стоимости

они
приближаются к трансформаторам тока
[9].

Рис.
13. Холловский датчик тока разомкнутого
типа

Рис.
14. Холловский датчик тока замкнутого
типа

studfiles.net

ДАТЧИКИ ТОКА, НАПРЯЖЕНИЯ И МОЩНОСТИ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Сегодня направление разработки и производства отечественных датчиков переживает своё второе рождение. Это объясняется, прежде всего, тем, что нынешний уровень развития производства требует не только совершенствования технологических процессов, но и их автоматизации. Кроме того, современное предприятие сегодня немыслимо без автоматизированных систем учёта и управления производством. А поскольку базируются все процессы автоматизации на показаниях первичных датчиков, то вполне понятен интерес и повышенные требования, которые предъявляются к конструкции и характеристикам датчиков различных физических величин.

 

В целом продукцию датчиков можно разбить на две группы: датчики измерения тока и напряжения, датчики активной мощности. Датчики измерения тока и напряжения – это самая многочисленная группа приборов, и физические принципы, лежащие в основе этих датчиков, так или иначе повторяются во всех остальных модификациях. Любой ток, протекающий по проводнику, создаёт вокруг этого проводника магнитное поле. Измеряя величину и направление этого магнитного поля, можно определить величину, направление и форму протекающего тока. Отсюда и основное преимущество датчиков тока, реализующих указанный принцип работы: они измеряют любой вид тока без разрыва токовой цепи и с гальванической развязкой выходного сигнала от токовой цепи. Поэтому, даже несмотря на большую стоимость, датчики измерения тока успешно заменяют токовые шунты и трансформаторы тока.

 

Универсальность датчиков тока заключается в том, что одним и тем же прибором можно измерять постоянные, переменные и импульсные токи. Для этого в конструкцию датчика кроме концентратора магнитного поля, входит так называемый датчик Холла – миниатюрный полупроводниковый прибор, определяющий величину и направление магнитного поля проходящего тока. Конструктивно датчик тока представляет миниатюрный автономный модуль, электронная начинка которого питается от постоянного напряжения ± 15В. Потребитель должен только пропустить токовую шину через отверстие в корпусе датчика тока. Выходной сигнал такого датчика строго пропорционален измеряемому току. Понятно, что в зависимости от величины измеряемого тока и внешних условий эксплуатации датчиков, меняется диаметр отверстия и конструкция корпуса этих приборов. Диапазон измерения тока таких датчиков может составлять от десятков миллиампер и до трёх тысяч ампер. Наиболее популярными и часто используемыми являются датчики, имеющие минимальные размеры, массу и монтируемые, как правило, на печатной плате. При необходимости использования датчиков в более жёстких условиях, связанных с внешними механическими воздействиями, предусмотрена более жёсткая конструкция датчика. Электрическое соединение датчика осуществляется с помощью разъёма.

 

Выходной сигнал стандартного датчика – токовый и строго пропорционален мгновенному значению измеряемого тока. Однако, по требованию заказчика, электронная схема датчика легко трансформируется, и тогда датчик может измерять действующее значение тока, либо обладает стандартным токовым выходом 4-20мА (0-20мА). Это создаёт дополнительные удобства при использовании датчиков в системах автоматизации или связи. Основные преимущества таких датчиков: высокая точность измерений (до 1%), гальваническая развязка, малые габаритно-массовые размеры и температурный дрейф характеристик. Диаметр отверстий под токовую шину колеблется от 10 и до 40мм.

 

Датчики измерения переменного тока можно рассматривать как частный случай универсальных датчиков. Анализ рынка показывает, что примерно в 50% случаев потребителям необходимо измерять только переменные токи. Причём в большинстве случаев это токи синусоидальной формы промышленной частоты 50Гц. Именно для таких измерений разработана серия датчиков, имеющих более дешёвую электронную начинку. Цена таких датчиков приблизительно в 1,5 раза ниже, а уровень технических характеристик весьма высок. Датчики могут работать в широком температурном диапазоне от минус 40 до плюс 80°С с минимальной температурной погрешностью, линейность амплитудно-частотной характеристики не хуже 1% в диапазоне частот от 20Гц до 10кГц. Кроме того, потребитель сам выбирает, с каким выходным сигналом датчика ему удобно работать: это может быть потенциальный сигнал или токовый выход 4-20мА (0-20мА).

 

Если измеряемое напряжение цепи превратить в ток (используя токозадающее сопротивление), то величина этого тока будет пропорциональна напряжению в измерительной цепи. Именно этот принцип лежит в основе работы датчиков измерения напряжения, а наличие в их конструкции датчика Холла обеспечивает гальваническую развязку силовых цепей и цепей контроля. Датчик напряжения может монтироваться на печатную плату, а токозадающее сопротивление подключается одним концом к измерительной цепи, а вторым – к винтовому выводу датчика. Второй винтовой вывод датчика соединяется с измерительной цепью. В ряде случаев более удобным является размещение датчика на DIN-рейке. Для этих целей существует специальная переходная планка. В ряде случаев более удобным является клеммное устройство датчика напряжения. Такой датчик напряжения имеет возможность непосредственного монтажа на DIN-рейке.

 

Датчики напряжения позволяют контролировать постоянное и переменное напряжение до 1 000В в широком температурном диапазоне. Электронная схема датчика предусматривает получение выходного сигнала в виде напряжения или в виде токового сигнала 4-20мА (0-20мА). Этот датчик предназначен для преобразования входного постоянного, импульсного напряжения положительной полярности в стандартное (мгновенное) значение токового выхода 4-20мА. А модификация этого же датчика преобразует входное напряжение в действующее выпрямленное значение стандартного токового выхода 4-20мА. Питание датчика осуществляется по токовой петле 4-20мА, а монтаж – на DIN-рейку.

 

Большое количество модификаций датчиков тока обеспечивает свободу выбора пользователям этих приборов. Однако существует целая отрасль измерений, которая принципиально не может использовать вышеописанные стационарные датчики. Это касается вопросов мониторинга токовых цепей, которые давно собраны и функционируют. Кроме того, целый ряд производств с непрерывным циклом работы не допускает длительного отключения токовых цепей и переустановки оборудования. Для таких случаев незаменимыми оказываются разъёмные датчики тока. Основой таких датчиков является разъёмный магнитопровод, позволяющий монтировать датчики непосредственно на токовой шине, без разрыва последней и с гальванической изоляцией измеряемого тока от измерительных цепей. При необходимости датчики можно закрепить и на DIN-рейке.

 

При протекании измеряемого тока по шине, охватываемой магнитопроводом, в обмотке датчика наводится ток, пропорциональный измеряемому току. Выходной сигнал с обмотки подаётся либо на выпрямитель (детектор) амплитудных значений, либо на детектор истинных среднеквадратичных значений. Напряжение постоянного тока с выхода детектора преобразуется в сигнал интерфейса «токовая петля 4-20мА». Разъёмные датчики тока относятся к числу последних отечественных разработок, и на сегодняшний день освоено производство только двух модификаций: для монтажа на круглой шине и измерения токов в диапазоне от 5 до 300А с допустимой перегрузкой по входному току в 1,5 раза; для монтажа на плоской шине и измерения токов 1 000, 1 500 или 3 000А. Такая конструкция разъёмных датчиков позволяет закрепить их непосредственно на шине без разрыва токовой цепи. Дальше такие датчики функционируют как обычные стационарные приборы. В то же время существует целый ряд задач, которые требуют частых разовых измерений, причём в различных, иногда труднодоступных участках токовых цепей. И часто качество технологического процесса зависит от точности и своевременности этих токовых измерений. Для решения таких задач разработаны электроизмерительные клещи. Токовые клещи являются автономным контрольным прибором (питание от 2-х пальчиковых батареек), предназначенным для измерения действующего значения постоянного и переменного токов без разрыва силовой цепи. Базовая модель клещей – это интеллектуальный прибор, в конструкции которого используется микроконтроллер с электрически программируемым ПЗУ. Благодаря этому клещи кроме ряда стандартных функций (измерение постоянного и переменного токов) содержат ещё и ряд функций мультиметра. Они могут использоваться для измерения напряжения постоянного и переменного токов до 600В, для измерения сопротивления цепи до 2 000Ом и измерения температуры окружающей среды. Выбор пределов измерений, обнуление шкалы в клещах производятся автоматически. Кроме того, клещи содержат ряд сервисных функций: удержания («память») измеренного значения и энергосбережения («сон»). Малые габаритно-массовые размеры и различный диаметр отверстия под токовую шину создают дополнительные удобства для потребителей. Отечественные клещи выгодно отличает возможность работы с ними при отрицательных температурах окружающей среды до минус 20°С.

 

Логическим продолжением описанных выше приборов является датчик измерения мощности (ДИМ). Он предназначен для преобразования активной мощности, потребляемой нагрузкой в цепях переменного тока частоты 50Гц и постоянного тока в пропорциональный сигнал токового интерфейса 0-20мА или 4-20мА, гальванически изолированного от измерительных цепей. Диапазон мощностей, измеряемых ДИМ, составляет от 5 до 200кВт. При этом диапазон входных напряжений колеблется от 20 до 380В, а диапазон входных токов составляет от 20 до 600А. Коэффициент мощности ДИМ на частоте 50Гц составляет 0,3–1, основная приведённая погрешность ± 2%, при этом диаметр отверстия под токовую шину можно варьировать или изготовить датчик мощности под плоскую токовую шину. Питается датчик от внешнего источника питания 13,5–16,5В и выдерживает длительную перегрузку по входу до 120% от номинальных значений напряжения и тока.

 

Отдельного описания заслуживает датчик измерения больших токов (ДБТ). Конструктивно ДБТ состоит из двух блоков: измерительного контура и блока питания. Разъёмный измерительный контур массой до 40кг предназначен для монтажа непосредственно на токоведущей шине. Размеры внутреннего окна контура могут составлять 400х400мм. Удобство монтажа датчика без разрыва токовой шины – это только одно из преимуществ ДБТ по сравнению с традиционно используемыми шунтами. Электрическая связь между измерительным контуром и блоком питания и индикации осуществляется с помощью кабеля длиной до 5м. Блок питания и индикации смонтирован в удобном переносном корпусе и питается от однофазной промышленной сети переменного тока 220В (50Гц) ± 10%. Блок обеспечивает измерительный контур необходимым питанием и формирует выходной сигнал стандартной токовой петли 0-5мА. Основная приведённая погрешность датчика составляет 0,4%. Датчик ДБТ полностью сохраняет работоспособность при 1,5-кратной перегрузке измеряемого тока. Области использования ДБТ весьма специфичны: это энергоёмкие производства медеплавильной промышленности, предприятия нефтяной промышленности и электрометаллургии с высоким уровнем паразитных магнитных полей, нефтехимия и электроэнергетика. Поэтому в датчике предусмотрена специальная система теплоотвода, повышены изолирующие свойства измерительного контура и предусмотрены меры электромагнитной защиты.

 

Основная цель настоящей статьи заключается в том, чтобы дать разработчикам и эксплуатационникам информацию о первичных датчиках, разъяснить особенности этих приборов и помочь разобраться в их преимуществах и недостатках. Вооружённый этими знаниями потребитель сегодня решает сам: использовать импортные приборы или сделать выбор в пользу отечественного производителя.

 

Из статьи Г.Я. ПОРТНОГО,

к.т.н., зам. гл. конструктора ОАО «НИИЭМ»

www.to-inform.ru